铝合金导体材料的压蠕变行为探讨

1、铝合金导体材料压蠕变行为探铝合金导体材料压蠕变行为探讨讨a:a:深圳市阿尔泰克冶金材料有限公司，深圳市阿尔泰克冶金材料有限公司，广东广东 深圳深圳 518052; 518052;b:b:上海电缆研究所，上海电缆研究所，上海上海 200093200093庆毅庆毅a 张伟民张伟民b 郑秋郑秋b1蠕变蠕变2铝合金的蠕变铝合金的蠕变3铝合金铝合金的的蠕变特蠕变特性性4铝合金电缆导体的压蠕变缺陷的危害铝合金电缆导体的压蠕变缺陷的危害5压蠕变产生机理及控制压蠕变产生机理及控制6抗压蠕变抗压蠕变CRACRA合金合金7结束语结束语概述一、一、蠕变蠕变 纯铝纯铝1060和铜和铜Tu2导体导体20小时的压蠕变曲线

2、小时的压蠕变曲线铜铝导体样本压蠕变变形量相铜铝导体样本压蠕变变形量相差分别为：差分别为：21.3%和和14%蠕变蠕变的性质的性质蠕变（蠕变（Creep）是指固体材料在一定）是指固体材料在一定温度温度和一定的和一定的应力应力的作用下，随着的作用下，随着时间时间的增的增加发生的缓慢的加发生的缓慢的产生的不能复原的产生的不能复原的永久永久塑形变形塑形变形的现象，应力是指低于材料屈的现象，应力是指低于材料屈服强度的应力，温度通常是指低于材料软化点或者熔点的温度。服强度的应力，温度通常是指低于材料软化点或者熔点的温度。蠕变种类：拉蠕变（蠕变种类：拉蠕变（Tension Creep）、压）、压蠕变（蠕变（

3、Compressive Creep）、扭蠕变（）、扭蠕变（Torsion Creep）和变应力蠕变等。）和变应力蠕变等。第第I阶段：减速蠕变阶段阶段：减速蠕变阶段(ab段段)，流变应力随着蠕变的，流变应力随着蠕变的增加而增大，蠕变速率随着时间的增加而减小；增加而增大，蠕变速率随着时间的增加而减小；第第II阶段：稳态蠕变阶段（阶段：稳态蠕变阶段（bc段），流变应力保持恒定，段），流变应力保持恒定，蠕变速率最小；蠕变速率最小；第第III阶段：加速蠕变阶段（阶段：加速蠕变阶段（cd段），变量随着时间呈段），变量随着时间呈指数规律增大至材料最终断裂；指数规律增大至材料最终断裂；d点对应的是拉蠕变断裂时

4、间，达到最大的蠕变应变量，点对应的是拉蠕变断裂时间，达到最大的蠕变应变量，压蠕变压蠕变d点为点为bc段延长线。段延长线。图图1 典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线二、铝合金的蠕变二、铝合金的蠕变铝合金蠕变影响因素：铝合金蠕变影响因素： 合金的成份合金的成份 合金内部的组织结构合金内部的组织结构 晶粒度晶粒度 持续的应力持续的应力 材料的温度材料的温度 时间维度时间维度 严格来说，金属材料在应力长时间作用下产生缓慢的与时间相关的塑性变严格来说，金属材料在应力长时间作用下产生缓慢的与时间相关的塑性变形可以在任何温度下产生。形可以在任何温度下产生。铝合金蠕变测试铝合金蠕变测试三、铝合金的蠕变特性三、铝合金

5、的蠕变特性-摘自：摘自：WRIGHT AIR DEVELOPMENT CENTER TECHNICAL REPORT 56-26148条件下，条件下，2XXX铝合金的蠕变曲线铝合金的蠕变曲线三、铝合金的蠕变特性（续）三、铝合金的蠕变特性（续）-摘自：摘自：WRIGHT AIR DEVELOPMENT CENTER TECHNICAL REPORT 56-26190条件下，条件下，2XXX铝合金的蠕变曲线铝合金的蠕变曲线三、铝合金的蠕变特性（续）三、铝合金的蠕变特性（续）-摘自：摘自：WRIGHT AIR DEVELOPMENT CENTER TECHNICAL REPORT 56-26148条

6、件下，条件下，1100铝合金的蠕变曲线铝合金的蠕变曲线对于对于1100铝合金来铝合金来说，即使在高温条说，即使在高温条件下，如果应力条件下，如果应力条件足够小，材料本件足够小，材料本身的蠕变变形是非身的蠕变变形是非常小的常小的；一旦承载一旦承载应力大于应力大于20MPa，就会产生超过就会产生超过0.2%的拉蠕变和的拉蠕变和0.15%的的压蠕变；压蠕变；四、铝合金导体压蠕变缺陷四、铝合金导体压蠕变缺陷 铝及铝合金是一种电负性金属，也是最活泼的工业金属之一，通常在氧化环境铝及铝合金是一种电负性金属，也是最活泼的工业金属之一，通常在氧化环境下，可以在表面上形成一层连续的致密氧化膜，具有很好的耐蚀性能

7、。压蠕变的发生下，可以在表面上形成一层连续的致密氧化膜，具有很好的耐蚀性能。压蠕变的发生直接破坏了表面氧化膜，同时给腐蚀发生提供了介质。直接破坏了表面氧化膜，同时给腐蚀发生提供了介质。线缆直连部位线缆直连部位线鼻子压接线鼻子压接u主要腐蚀行为：主要腐蚀行为：l点腐蚀点腐蚀：合金中的不同电极电位的合金中的不同电极电位的金属相、金属间化合物相和金属基金属相、金属间化合物相和金属基体在一定的介质条件下产生的微电体在一定的介质条件下产生的微电池反应池反应；l缝隙腐蚀缝隙腐蚀：铝的电位很低，在有空铝的电位很低，在有空气进入缝隙的时候可以发生铝空气气进入缝隙的时候可以发生铝空气电池反应，金属铝被氧化成氧化

8、铝，电池反应，金属铝被氧化成氧化铝，这种现象在通电的情况下反应会被这种现象在通电的情况下反应会被加剧加剧；l电偶腐蚀电偶腐蚀：当有腐蚀介质进入当有腐蚀介质进入铜铝铜铝蠕变差异蠕变差异缝隙后缝隙后，铜铝之间发生原铜铝之间发生原电池反应，也称双金属腐蚀。电池反应，也称双金属腐蚀。五、压蠕变产生机理及控制五、压蠕变产生机理及控制 蠕变变形的微观机制，与材料内部组织、结构的变化以及晶粒位错、扩散和晶界蠕变等行蠕变变形的微观机制，与材料内部组织、结构的变化以及晶粒位错、扩散和晶界蠕变等行为密切相关的为密切相关的位错滑移：在应力和位错滑移：在应力和时间作用下，随着温时间作用下，随着温度升高和形变速率降度升

9、高和形变速率降低，位错滑移带变粗低，位错滑移带变粗和间距增大，产生多和间距增大，产生多滑移和交叉滑移；滑移和交叉滑移；晶内扩散：在应晶内扩散：在应力和温度以及时力和温度以及时间的作用下，晶间的作用下，晶内变形的不均匀内变形的不均匀性，晶粒被破碎性，晶粒被破碎分割，在高温扩分割，在高温扩散产生位错攀移；散产生位错攀移；晶界变形：在高晶界变形：在高温条件下，晶界温条件下，晶界发生滑移和迁移；发生滑移和迁移；铝为面心立方结构，在铝为面心立方结构，在Al中加入其他合金元素形成固中加入其他合金元素形成固溶体或者金属间化合物，可以大大抑制蠕变变形。溶体或者金属间化合物，可以大大抑制蠕变变形。CRA（Cre

10、ep Resistance Alloy）合金，在常规的铝合金导体中，加入了）合金，在常规的铝合金导体中，加入了Cu、Mg等等合金元素，使其不但具有高的抗拉强度、屈服极限，而且具有优良的合金元素，使其不但具有高的抗拉强度、屈服极限，而且具有优良的电导率、在高温时电阻的热稳定性好，高温下抗蠕变性能也非常优异。电导率、在高温时电阻的热稳定性好，高温下抗蠕变性能也非常优异。 CRA导体压蠕变测试结果导体压蠕变测试结果在在120，112MPa，20h状况下：与铜导体相比，差异不超过状况下：与铜导体相比，差异不超过1%；在室温状态下，在室温状态下，112MPa，720h状况下：与铜导体相比，差异不超过状况

11、下：与铜导体相比，差异不超过0.1%。发明专利号：发明专利号：ZL2012 1 0457120.5六、抗压蠕变六、抗压蠕变CRA合金合金合金牌号合金牌号合金系列合金系列状态状态抗拉强度抗拉强度(MPa)屈服强度屈服强度(MPa)伸长率伸长率(%)电导率电导率(%IACS)CRA合金合金Al-Fe-Cu-Mg-Zr硬态硬态160180 1459.0软态软态1201502863.0电工铜电工铜（Cu）退火退火220-27060-80301008系铝合金系铝合金Al-Fe-Re硬态硬态110-12050-601256.5软态软态981102162.51系铝合金系铝合金（纯铝）（纯铝）Al硬态硬态11

12、0-130861.5软态软态65952563.0（1）.CRA合金性能对比合金性能对比（2）.CRA导体对比蠕变曲线导体对比蠕变曲线（3）CRA合金应用合金应用汽车线束汽车线束电磁线电磁线母线母线电缆接头电缆接头电缆导体电缆导体绕组扁线绕组扁线电缆连接件电缆连接件电缆金具电缆金具七、结束语七、结束语 铝合金作为电线电缆的导体材料在国外已经使用了超过五十年，但是在国铝合金作为电线电缆的导体材料在国外已经使用了超过五十年，但是在国内也就是近几年才开始，铝合金以其良好的经济性用于替代铜导体已经成内也就是近几年才开始，铝合金以其良好的经济性用于替代铜导体已经成为趋势。为趋势。 但是由于纯铝的抗蠕变能力较差，用作导体或者连接件，会产生严重的安但是由于纯铝的抗蠕变能力较差，用作导体或者连接件，会产生严重的安全隐患，而且刺安全隐患随着时间的推移会愈发显著。全隐患，而且刺安全隐患随着时间的推移会愈发显著。 加强对于铝合金压蠕变深层机理的研究，有助于开发出更好的，高强高导，加强对于铝合金压蠕变深层机理的研究，有助于开发出更好的，高强